Els coets químics d'impuls específic més alt utilitzen propel·lents líquids (coets de propel·lent líquid). Poden consistir en una sola substància química (un monopropel·lent) o una barreja de dues substàncies químiques, anomenades bipropel·lents. Els bipropel·lents es poden dividir en dues categories; propel·lents hipergòlics, que s'encenen quan el combustible i l'oxidant fan contacte, i propel·lents no hipergòlics que requereixen una font d'ignició.
S'han provat uns 170 propel·lents diferents fets de combustible líquid, excloent canvis menors en un propel·lent específic com ara additius de propel·lent, inhibidors de corrosió o estabilitzadors. Només als EUA s'han utilitzat almenys 25 combinacions diferents de propel·lent.
Molts factors influeixen en l'elecció d'un propel·lent per a un motor de coet de propel·lent líquid. Els factors principals inclouen la facilitat d'operació, el cost, els riscos/entorn i el rendiment.
Història Desenvolupament a principis del segle XX miniatura|246x246px|Robert H. Goddard el 16 de març de 1926, sostenint el marc de llançament del primer coet de combustible líquid Konstantin Tsiolkovsky va proposar l'ús de propel·lents líquids el 1903, en el seu article Exploració de l'espai exterior mitjançant dispositius de coets.
El 16 de març de 1926, Robert H. Goddard va utilitzar oxigen líquid (LOX) i gasolina com a propel·lents per al seu primer llançament parcialment reeixit de coet amb propel·lent líquid. Tots dos propel·lents són fàcilment disponibles, barats i altament energètics. L'oxigen és un criogen moderat, ja que l'aire no es liquarà contra un tanc d'oxigen líquid, per la qual cosa és possible emmagatzemar LOX breument en un coet sense un aïllament excessiu.
A Alemanya, els enginyers i científics van començar a construir i provar coets de propulsió líquida a finals de la dècada de 1920. Segons Max Valier, dos coets Opel RAK de propulsió líquida es van llançar a Rüsselsheim el 10 i el 12 d'abril de 1929.
Època de la Segona Guerra Mundial Alemanya va tenir un desenvolupament de coets molt actiu abans i durant la Segona Guerra Mundial, tant per al coet estratègic V-2 com per a altres míssils. El V-2 utilitzava un motor de propel·lent líquid amb alcohol/osíxid de oxigen, amb peròxid d'hidrogen per impulsar les bombes de combustible. L'alcohol es barrejava amb aigua per refrigerar el motor. Tant Alemanya com els Estats Units van desenvolupar motors de coet de propulsor líquid reutilitzables que utilitzaven un oxidant líquid emmagatzemable amb una densitat molt més gran que l'OX i un combustible líquid que s'encenia espontàniament en contacte amb l'oxidant d'alta densitat.
El principal fabricant alemany de motors de coet per a ús militar, l'empresa HWK, va fabricar la sèrie de sistemes de motors de coet amb la designació RLM número 109-500, i utilitzava peròxid d'hidrogen com a monopropulsor per a les necessitats d'enlairament assistit per propulsió de coets Starthilfe; o com a forma d'empenta per a bombes de planatge aire-marí guiades per MCLOS; i utilitzat en una combinació bipropulsor del mateix oxidant amb una barreja de combustible d'hidrat d'hidrazina i alcohol metílic per a sistemes de motors de coet destinats a la propulsió d'avions de combat tripulats.
Els dissenys de motors dels EUA es van alimentar amb la combinació bipropulsant d'àcid nítric com a oxidant i anilina com a combustible. Ambdós motors es van utilitzar per impulsar avions, l'interceptor Me 163 Komet en el cas dels dissenys de motors alemanys de la sèrie Walter 509, i unitats RATO d'ambdues nacions (com amb el sistema Starthilfe per a la Luftwaffe) per ajudar a l'enlairament d'avions, que constituïa el propòsit principal del cas de la tecnologia de motors de coets de combustible líquid dels EUA, en gran part procedent de la ment de l'oficial de la Marina dels EUA Robert Truax.
Anys 50 i 60 Durant les dècades del 1950 i del 1960 hi va haver una gran activitat per part dels químics de propel·lents per trobar propel·lents líquids i sòlids d'alta energia més adequats per a l'exèrcit. Els grans míssils estratègics han d'estar emmagatzemats en sitges terrestres o submarins durant molts anys, capaços de ser llançats en qualsevol moment. Els propel·lents que requereixen refrigeració contínua, que fa que els seus coets creixin capes de gel cada cop més gruixudes, no eren pràctics. Com que l'exèrcit estava disposat a manipular i utilitzar materials perillosos, es van elaborar un gran nombre de productes químics perillosos en grans lots, la majoria dels quals van acabar sent considerats inadequats per als sistemes operatius. En el cas de l'àcid nítric, l'àcid en si () era inestable i corroïa la majoria dels metalls, cosa que en dificultava l'emmagatzematge. L'addició d'una quantitat modesta de tetròxid de nitrogen, , va tornar la mescla vermella i va evitar que canviés de composició, però va deixar el problema que l'àcid nítric corroeix els recipients on es col·loca, alliberant gasos que poden acumular pressió en el procés. L'avenç va ser l'addició d'una mica de fluorur d'hidrogen (HF), que forma un fluorur metàl·lic autosegellant a l'interior de les parets del tanc que va inhibir l'àcid nítric fumejant vermell. Això va fer que "IRFNA" es pogués emmagatzemar.
Querosè Els coets V-2 desenvolupats per l'Alemanya nazi utilitzaven LOX i alcohol etílic. Un dels principals avantatges de l'alcohol era el seu contingut d'aigua, que proporcionava refrigeració en motors de coets més grans. Els combustibles a base de petroli oferien més potència que l'alcohol, però la gasolina i el querosè estàndard deixaven massa sutge i subproductes de combustió que podien obstruir les canonades del motor. A més, no tenien les propietats refrigerants de l'alcohol etílic.
Hidrogen Molts dels primers teòrics dels coets creien que l'hidrogen seria un propel·lent meravellós, ja que dóna l'impuls específic més alt. També es considera el més net quan s'oxida amb oxigen perquè l'únic subproducte és l'aigua. El reformat amb vapor del gas natural és el mètode més comú per produir hidrogen a granel comercial, amb aproximadament el 95% de la producció mundial de el 1998. A altes temperatures (700–1100 °C) i en presència d'un catalitzador metàl·lic (níquel), el vapor reacciona amb el metà per produir monòxid de carboni i hidrogen.
L'hidrogen és molt voluminós en comparació amb altres combustibles; normalment s'emmagatzema com a líquid criogènic, una tècnica perfeccionada a principis dels anys cinquanta com a part del programa de desenvolupament de la bomba d'hidrogen a Los Alamos. L'hidrogen líquid es pot emmagatzemar i transportar sense ebullició, utilitzant heli com a refrigerant, ja que l'heli té un punt d'ebullició encara més baix que l'hidrogen. L'hidrogen es perd per ventilació a l'atmosfera només després de carregar-lo en un vehicle de llançament, on no hi ha refrigeració.
Ús de l'etapa superior El motor de coet líquid bipropelent d'oxigen líquid i hidrogen ofereix l'impuls específic més alt per als coets convencionals. Aquest rendiment addicional compensa en gran manera el desavantatge de la baixa densitat, que requereix dipòsits de combustible més grans. Tanmateix, un petit augment de l'impuls específic en una aplicació d'etapa superior pot donar un augment significatiu de la massa de la càrrega útil a l'òrbita.
Comparació amb el querosè Els incendis a la plataforma de llançament a causa del querosè vessat són més perjudicials que els incendis d'hidrogen, per dues raons principals:
El querosè crema aproximadament un 20% més fort en temperatura absoluta que l'hidrogen. La flotabilitat de l'hidrogen. Com que l'hidrogen és un criogen profund, bull ràpidament i puja, a causa de la seva densitat molt baixa com a gas. Fins i tot quan l'hidrogen crema, el gasós que es forma té un pes molecular de només en comparació amb per l'aire, de manera que també puja ràpidament. El querosè vessat, en canvi, cau a terra i si s'encén pot cremar durant hores quan es vessa en grans quantitats.
Liti i fluor La química amb impuls específic més alt mai provada en un motor de coet va ser liti i fluor, amb hidrogen afegit per millorar la termodinàmica de l'escapament (tots els propulsors s'havien de mantenir en els seus propis tancs, convertint-lo en un tripropel·lent). La combinació va lliurar 542 impuls específic en el buit , equivalent a una velocitat d'escapament de 5320 m/s. La impracticabilitat d'aquesta química posa de manifest per què no s'utilitzen realment propel·lents exòtics: per fer que els tres components siguin líquids, l'hidrogen s'ha de mantenir per sota de −252 °C (només 21 K), i el liti s'ha de mantenir per sobre de 180 °C (453 K). El liti i el fluor són extremadament corrosius. El liti s'encén en contacte amb l'aire i el fluor encén la majoria de combustibles en contacte, inclòs l'hidrogen. El fluor i el fluorur d'hidrogen (HF) dels gasos d'escapament són molt tòxics, cosa que dificulta el treball al voltant de la plataforma de llançament, danya el medi ambient i dificulta l'obtenció d'una llicència de llançament. Tant el liti com el fluor són cars en comparació amb la majoria de propulsors de coets. Per tant, aquesta combinació mai ha volat.
Metà El metà líquid i l'oxigen líquid utilitzats conjuntament com a propulsors de coets es coneixen com a propulsió amb metalox. El metà és el component principal del gas natural i, en la seva forma líquida, ofereix diverses propietats operatives útils per a la propulsió de coets. En comparació amb l'hidrogen líquid, el metà líquid proporciona un impuls específic més baix, però és més fàcil d'emmagatzemar, transportar i manipular a causa del seu punt d'ebullició més alt, la seva densitat més alta i la seva resistència a la fragilització per hidrogen. El metà també produeix menys residus a base de carboni que el querosè, cosa que pot reduir els requisits de neteja i inspecció dels motors reutilitzables.
Ús actual El desembre de 2025, combinacions de combustibles líquids d'ús comú:
Querosè (RP-1) / oxigen líquid (LOX) Utilitzat per a les etapes inferiors de la Soyuz-2, Angara A5, Long March 6, Long March 7, Long March 8 i Tianlong-2; els propulsors de Long March 5 ; la primera etapa de l'Atlas V ; les dues etapes de l'Electron, Falcon 9, Falcon Heavy, Firefly Alpha, Long March 12 i Angara-1.2 ; i les tres etapes de la Nuri. Hidrogen líquid (LH) / LOX Utilitzat en les etapes del Sistema de Llançament Espacial, New Shepard, H3, GSLV, LVM3, Long March 5, Long March 7A, Long March 8, Ariane 6, New Glenn i Centaur. Metà líquid (GNL) / LOX Utilitzat en ambdues etapes de Zhuque-2E, Zhuque-3, Starship (fent vols de prova gairebé orbitals), Long March 12A, i la primera etapa del Vulcan Centaur i el New Glenn. Dimetilhidrazina asimètrica (UDMH) o monometilhidrazina (MMH) / tetròxid de dinitrogen (NTO o ) Utilitzat en tres primeres etapes del propulsor rus Proton, el motor indi Vikas per a coets PSLV, GSLV i LVM3, molts propulsors xinesos, i diversos coets militars, orbitals i d'espai profund, ja que aquesta combinació de combustible és hipergòlica i es pot emmagatzemar durant llargs períodes a temperatures i pressions raonables. Hidrazina () S'utilitza en missions espacials profundes perquè és emmagatzemable i hipergòlic, i es pot utilitzar com a monopropel·lent amb un catalitzador. Aerozina-50 (50/50 hidrazina i UDMH) S'utilitza en missions espacials profundes perquè és emmagatzemable i hipergòlic, i es pot utilitzar com a monopropel·lent amb un catalitzador.
Referències
Categoria:Coets Categoria:Combustibles de coet